摘要：設(shè)計一種超聲車距預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機控制技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，通過顯示障礙物與汽車的距離并根據(jù)其距離遠近實時發(fā)出報警。該設(shè)計采用三傳感器接收系統(tǒng)解決了障礙物的二維定位問題，并對所使用的車距預(yù)警系統(tǒng)進行了誤差分析。
關(guān)鍵詞：車距預(yù)警；超聲波測距；單片機控制；二維定位

0 引言
    隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車不再是單純的機械產(chǎn)品，而是各種科技集中的載體。車距預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)也成為提高汽車智能化的重要內(nèi)容之一。該系統(tǒng)的運用可極大地降低倒車難度，避免駕駛員因方向感不強、判斷和操作失誤而引起事故，同時它將對提高汽車智能化水平和最終實現(xiàn)汽車無人駕駛產(chǎn)生積極的意義。
    本文選擇了現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于車距預(yù)警系統(tǒng)中的超聲波測距。超聲波測距的成本較低，容易實現(xiàn)，可靠性較高。本設(shè)計可測量的范圍為0．39～10．3 m，除了基本的超聲波測距電路外，還有測溫電路、車速檢測電路、電源模塊及語音報警電路。并且，系統(tǒng)采用三接收傳感器的設(shè)計方案來確定障礙物的空間三維坐標(biāo)位置。本設(shè)計具有操作簡便、工作穩(wěn)定可靠、檢測速度快和成本低等特點，可實現(xiàn)無接觸式測量，應(yīng)用廣泛。

1 超聲波測距儀工作原理
    本文的超聲波測距中采用渡越時間檢測法，發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)過障礙物反射后被接收器接收，測量發(fā)射器發(fā)射和接收器接收超聲波的時間差為t，同時，超聲波在空氣中的傳播速度c受環(huán)境溫度τ的影響較大，考慮了環(huán)境溫度對傳播速度的影響后，距離公式為：
   
    本設(shè)計選用頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中傳播的效率最佳。同時，超聲波探頭(即超聲波傳感器)采用的是防水型收發(fā)一體式雙晶片壓電振動式超聲換能器TCF40-25TR，其中心頻率為(40±1)kHz，恰好適用于本設(shè)計的超聲波頻率。

2 車距預(yù)警系統(tǒng)的原理分析與硬件設(shè)計
    在完成超聲波測距的理論分析后，需要將超聲波測距的硬件安裝在車尾，這就需要進一步分析和設(shè)計車距預(yù)警系統(tǒng)。
2．1 車距預(yù)警系統(tǒng)的原理分析
    超聲波測距的目的是為了測得超聲波探頭到障礙物之間的距離，但是超聲波測距系統(tǒng)無法對障礙物進行空間二維甚至是平面二維的定位。為了解決這個問題，本設(shè)計提出了三接收傳感器的設(shè)計方案來確定障礙物的平面二維坐標(biāo)位置。
    若安裝的位置間距不同，三個接收器探頭接收回來的時間值是不一樣的。由三個接收探頭和超聲波反射點可以確定一個空間四面體的全部邊長參數(shù)，根據(jù)幾何關(guān)系，通過這幾個邊長參數(shù)，可以求得超聲波反射點的坐標(biāo)值，亦即障礙物的具體位置。

    如圖1所示為車距預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別有單片機及其外圍電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫電路、電源電路、車速檢測電路和語音報警電路。
2．2 車距預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2．2．1 單片機及其外圍電路的設(shè)計
    在本設(shè)計中，主控芯片選擇的是單片機AT89S52。最小系統(tǒng)由AT89S52芯片以及外圍電路組成(如圖2所示)，是整個超聲波測距系統(tǒng)的核心部分。

2．2．2 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射電路在測距時通過方波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，從而激發(fā)壓電換能器發(fā)射超聲波。為了提高超聲波的發(fā)送能力，讓其可以傳輸更遠的距離，需要對信號電壓進行放大。本文選擇NE555芯片搭建超聲波發(fā)射電路，用MAX232對電路進行升壓，只需要+5 V電源供電。因此，超聲波發(fā)射電路主要包括方波發(fā)生器和升壓電路，如圖3所示。

2．2．3 超聲波接收電路
    超聲波接收電路的作用是將超聲波探頭接收到的微弱信號放大、濾波和整形后，輸出臺階信號，提示單片機計算超聲波在空氣中的傳播時間t。本設(shè)計中，超聲波接收部分采用紅外遙控調(diào)制芯片CX20106A，其調(diào)制頻率為38～40 kHz，采用脈沖位置調(diào)制法(PPM)，提高了紅外接收的抗干擾性能。由于在接收電路中產(chǎn)生的回波信號是模擬信號，若想要將此模擬信號傳送到AT89S52這樣的數(shù)字系統(tǒng)中，需要有隔離傳輸，又因為超聲波電信號的頻率很高，因而本設(shè)計加入了光耦芯片6N137以方便信號能夠可靠的傳送。
    由于車距預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置了三個接收探頭，這三個接收探頭都必須可以申請中斷，并且系統(tǒng)需要檢測回波是哪個探頭產(chǎn)生的，同時還需要屏蔽掉已經(jīng)檢測到回波的接收探頭傳回來的回波信號。因此，本設(shè)計采用了三個與門74HC11，將它與三路回波信號進行與后再輸入控制芯片。車距預(yù)警系統(tǒng)的超聲波接收電路如圖4所示。

2．2．4 測溫電路
    本設(shè)計采用的溫度傳感器是DS18B20。它無需任何外圍硬件，直接將溫度數(shù)字信號輸入單片機P1．1口。同時，該芯片可從單片機I／O口取電，而無需額外電源。DS18B20每塊芯片擁有其獨一的ID號碼，測溫范圍為-55～+125℃，適用電壓范圍為3．0～5．5 V。測溫電路如圖5所示。

2．2．5 電源模塊設(shè)計
    整個系統(tǒng)總電源(即車載電平)是+12 V或+24 V，但本設(shè)計系統(tǒng)中的芯片均工作在+5 V左右電壓下，因此需要有一個電源模塊可以為系統(tǒng)提供+5 V的電壓。本設(shè)計選用電源模塊ZUS32405來為系統(tǒng)提供電壓。該模塊可以將+12 V或+24 V電壓轉(zhuǎn)換成+5 V電壓。模塊ZUS32405是開關(guān)電源，輸出端會有一定的波紋噪聲，并且模塊沒有反相保護和過電壓保護。因此，在使用電源模塊ZUS32405時，需要在輸入端加上過電壓保護和反相保護，在輸出端并聯(lián)一定值的電容用以消除各頻率段的紋波噪聲的影響。TVS管(即瞬態(tài)電壓抑制器)可以作為電源模塊的反相保護和過電壓保護器件。本設(shè)計的TVS管采用P6KE39A。電源模塊電路如圖6所示。

2．2．6 車速檢測電路
    由于車輛是在不斷的行進中的，每一時刻相對于障礙物的位置都不相同，因此，需要加一個車速檢測電路，用以測出車速，從而對障礙物的距離作出準(zhǔn)確判斷。本設(shè)計采用車速傳感器NT-GTS-364，該款車速傳感器的工作原理是，車速傳感器正前端是金屬，這時產(chǎn)生一個高電平，當(dāng)距離不在(1．2±0．4)mm范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生一個低電平，從而產(chǎn)生脈沖。車速傳感器一般安裝在齒輪變速箱輸出軸的測速齒輪附近。
車速傳感器的外圍電路如圖7所示。由于系統(tǒng)所需的供電電源為5 V，而車速傳感器需要有24 V的電源接入，因此車速傳感器與主控芯片中間需要通過光電耦合器TLP521-1。

2．2．7 語音預(yù)警電路
    本系統(tǒng)采用ISD4004語音芯片進行語音報警電路的設(shè)計，該芯片可實現(xiàn)分段錄放。語音電路的主要作用是在車距預(yù)警過程中，根據(jù)倒車的距離段不同為駕駛員提供不同的人性化的語音提示，使倒車、泊車等動作順利完成。其可實現(xiàn)錄音、放音、復(fù)位和靜音功能。
    單片機的P2.4接ISD4004的片選引腳SS，控制ISD4004是否選通；P1.5接ISD4004的串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入錄放音的地址；P1.6接ISD4004的串行輸出引腳MISO；P1．7接ISD4004的串行時鐘引腳SLCK。單片機AT89S52的P2．5接錄音按鈕S3，按下時對ISD4004進行錄音操作；P2．6接放音按鈕，按下時對ISD4004進行放音操作；P2．7接STOP按鈕，用來對ISD4004進行復(fù)位。此外，ISD4004的音頻信號輸出引腳AUDOUT通過一個濾波電容，經(jīng)低壓音頻功率放大器LM386后與喇叭相連；MIC接ISD4004的錄音信號輸入端(ANA IN-，ANA IN+)；AMCAP為自動靜音端，使用時通過一個1 μF電容接地。

    當(dāng)車與障礙物的距離大于3 m時，語音提示為“請放心行駛”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x等于2 m時，語音提示“2 m，2 m”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x為1．5m時，語音提示為“減速!減速”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于等于0．5 m時，語音提示為“危險；停車”。語音預(yù)警電路如圖8所示。

3 車距預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    軟件系統(tǒng)設(shè)計采用C語言編程。軟件系統(tǒng)主要包括主程序、定時中斷程序、外部中斷程序以及以上三個程序需要調(diào)用的若干個子程序，有測溫子程序、車速檢測子程序、距離計算子程序以及語音預(yù)警子程序。主程序的作用是完成系統(tǒng)的初始化、讀取溫度和計算距離值等。定時中斷程序主要是用來界定在不同的工作時段內(nèi)限定超聲波的發(fā)射和接收。外部中斷程序的作用是接收從CX20106A輸出的反射波信號，從而知道反射波的時刻。軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)在測距過程中，不可避免地會存在測量誤差，產(chǎn)生測量誤差的主要原因如下：測量基準(zhǔn)誤差、原理誤差、超聲波回波時間測定的影響、超聲波傳播速度的影響、測距盲區(qū)的影響、衰減導(dǎo)致的誤差等。
    本文設(shè)計了一種車距預(yù)警系統(tǒng)。設(shè)計中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20為溫度補償電路，提高了測量精度和智能化程度；采用電源模塊降壓，使系統(tǒng)能在合適電壓下正常工作；采用車速傳感器測出車速，可準(zhǔn)確測量車輛與障礙物間的相對位置；還有語音電路對駕駛員進行報警，實現(xiàn)系統(tǒng)智能化。并且，系統(tǒng)采用三接收傳感器的設(shè)計方案來確定障礙物的空間三維坐標(biāo)，準(zhǔn)確判斷障礙物位置。本車距預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)試驗運行良好，性能優(yōu)良、成本低、測距快，是安裝在汽車用以測距的好選擇。